KR20120099345A - 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극과 음극을 둘러싸는 세퍼레이터 상에 융착부를 형성하여 지그재그 형태로 적층되는 전극 조립체를 포함함으로써, 열적 안정성이 향상되고, 구조적으로 적층이 용이하며, 더불어 전해액의 함침을 용이하게 할 수 있는 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 전극 조립체를 구비하는 이차전지에 있어서, 상기 전극 조립체는, 복수의 양극판 및 음극판을 구비하는 전극 조립체; 및 제1 세퍼레이터를 포함하고, 상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판이 상기 제1 세퍼레이터 상에 서로 교번되도록 나란히 개재되고, 상기 제1 세퍼레이터는 지그재그 방식으로 가이드부에서 접혀지며, 상기 가이드부는 상기 제1 세퍼레이터에 위치되고, 상기 양극판과 음극판 사이에 배치되어지는 것을 특징으로 하는 이차전지가 개시된다.

Description

전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지{Electrode unit and method of manufacturing the same, secondary battery having the same}
본 발명의 일 실시예는 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적고, 중량 및 제조비용이 적으며, 다양한 형태로의 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
이차전지를 구성하는 양극, 세퍼레이터, 음극 구조의 전극 조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극 조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 세퍼레이터를 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극 조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극 조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 양극과 음극을 둘러싸는 세퍼레이터 상에 융착부를 형성하여 지그재그 형태로 적층되는 전극 조립체를 포함함으로써, 열적 안정성이 향상되고, 구조적으로 적층이 용이한 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 전해액의 함침을 용이하게 할 수 있는 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 전극 조립체를 구비하는 이차전지에 있어서, 상기 전극 조립체는, 복수의 양극판 및 음극판을 구비하는 전극 조립체; 및 제1 세퍼레이터를 포함하고, 상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판이 상기 제1 세퍼레이터 상에 서로 교번되도록 나란히 개재되고, 상기 제1 세퍼레이터는 지그재그 방식으로 가이드부에서 접혀지며, 상기 가이드부는 상기 제1 세퍼레이터에 위치하고, 상기 양극판과 음극판 사이에 배치되어진다.
상기 이차전지는 각각 교번하는 양극판 및 음극판 사이에서 상기 제1 세퍼레이터를 실링하고, 각각 교번하는 양극판 및 음극판 상호간을 분리하는 소정 폭의 융착부를 더 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 상기 복수의 양극판 및 음극판의 반대측 상에 상기 제1 세퍼레이터의 반대측으로 배치되고, 상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판 상에 배치되는 제2 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 가이드부는 상기 제1 및 제2 세퍼레이터의 적어도 하나를 관통하는 복수의 홀들을 포함할 수 있다. 상기 가이드부는 상기 융착부 내에 형성된다.
상기 이차전지는 상기 각각의 복수의 양극판으로부터 연장되는 양극탭; 및 상기 각각의 복수의 음극판으로부터 연장되는 음극탭을 더 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 파우치를 더 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 제2 및 제3 세퍼레이터를 포함하고, 상기 복수의 양극판이 상기 제1 세퍼레이터 상에 배치되고, 상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 세퍼레이터 측의 반대편에서의 상기 복수의 양극판의 일측 상에 배치되며, 상기 복수의 음극판이 상기 복수의 양극판으로부터 반대편 상에서의 상기 제2 세퍼레이터 상에 배치되고, 그리고 상기 제3 세퍼레이터는 상기 복수의 양극판의 반대편 상에서의 상기 복수의 음극판 상에 배치된다. 상기 이차전지는 상기 양극판 및 음극판 사이에 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터 중 적어도 어느 하나를 관통하도록 배치되는 가이드부를 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 하나의 양극판 또는 음극판의 폭보다 더 큰 각각의 양극판 사이의 간격을 포함하고, 상기 복수의 음극판은 각각의 양극판 사이의 상기 간격에 인접되는 지점에 위치되며, 상기 양극판 및 음극판은 서로 번갈아가며 배치된다.
상기 이차전지는 각각의 교번하는 양극판 및 음극판 사이에서 상기 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터를 실링하고, 각각의 교번하는 양극판 및 음극판 상호간을 분리하는 소정폭의 융착부를 포함할 수 있다. 상기 복수의 양극판 및 음극판은 상기 교번하는 양극판 및 음극판의 스택을 형성하기 위하여 지그재그 방식으로 상기 가이드부에서 접혀진다. 상기 가이드부는 상기 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터의 적어도 하나에 복수의 홀을 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 상기 각각의 복수의 양극판으로부터 연장되는 양극탭; 및 상기 각각의 복수의 음극판으로부터 연장되는 음극탭을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제3 세퍼레이터는 겔 상태의 코팅층이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 조립방법은 전극 조립체를 조립하는 방법에 있어서, 복수의 양극판 및 음극판을 상기 각각의 복수의 양극판 및 음극판 사이에 소정 폭의 융착부를 가지는 제1 세퍼레이터 상에 교번으로 위치시키는 단계; 상기 제1 세퍼레이터의 반대편에서의 상기 복수의 양극판 및 음극판의 반대 편 상에 배치되고, 그리고 상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판 상에 배치된 제2 세퍼레이터를 배치시키는 단계; 상기 제1 및 제2 세퍼레이터를 상기 융착부의 지점에서 실링하는 단계; 상기 융착부의 폭의 길이방향으로의 대략 중간 지점에서 상기 양극판 및 음극판 사이의 상기 제1 세퍼레이터 내부에 배치된 가이드부를 형성하는 단계; 및 상기 교번의 양극판 및 음극판의 스택을 형성하기 위하여 상기 복수의 양극판 및 음극판을 지그재그 방식으로 상기 가이드부에서 접는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 조립방법은, 복수의 양극판 및 음극판을 구비하는 전극 조립체를 조립하는 방법에 있어서, 하나의 양극판 또는 음극판의 폭보다 큰, 인접하는 양극판 사이의 공간을 갖고, 소정 폭의 융착부를 가지는 제1 세퍼레이터 상으로 상기 복수의 양극판을 위치시키는 단계; 상기 제1 세퍼레이터 측의 반대 편에서 상기 복수의 양극판의 일측 상에 배치된 제2 세퍼레이터를 배치하는 단계; -상기 제2 세퍼레이터는 상기 공간 영역 내에서 상기 제1 세퍼레이터와 접촉되는, 상기 복수의 음극판을 상기 복수의 양극판 측으로부터 반대편의, 각각의 음극판이 각각의 양극판 사이의 공간에 인접하는 지점에 위치되도록, 제2 세퍼레이터 상에 위치시키는 단계; 제3 세퍼레이터를 상기 복수의 양극판 측으로부터 반대편에서의 상기 복수의 음극판 상에 배치하는 단계; 상기 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터를 상기 융착부의 지점에서 실링하는 단계; 상기 융착부의 폭의 길이방향으로의 대략 중간지점에 배치된 가이드부를 형성하는 단계; 및 상기 복수의 양극판 및 음극판을 상기 교번의 양극판 및 음극판의 스택을 형성하기 위하여 지그재그 방식으로 상기 가이드부에서 접는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지는, 양극과 음극을 둘러싸는 세퍼레이터 상에 융착부를 형성하여 지그재그 형태로 적층되는 전극 조립체를 포함함으로써, 양극과 음극의 크기를 달리하여 적층할 필요가 없다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 열적 안정성이 향상되고, 구조적으로 적층이 용이하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 및 전극 조립체의 조립방법, 전극 조립체를 갖는 이차 전지는, 세퍼레이터의 융착부에 가이드부를 형성하여, 전해액의 함침을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 조립전의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 Ⅰ­Ⅰ′선을 따라 절취한 전극 조립체의 단면도이다.
도 2c는 도 2a의 A부분을 확대한 평면도이다.
도 3은 도 2a를 적층하는 전극 조립체의 사시도이다.
도 4는 도 3에서 적층된 전극 조립체의 단면도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 조립과정을 도시한 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 조립전의 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 Ⅱ­Ⅱ′선을 따라 절취한 전극 조립체의 단면도이다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 조립과정을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 캔형 이차 전지의 사시도이다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 조립전의 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 Ⅰ­Ⅰ′선을 따라 절취한 전극 조립체의 단면도이고, 도 2c는 도 2a의 A부분을 확대한 평면도이며, 도 3은 도 2a를 적층하는 전극 조립체의 사시도이고, 도 4는 도 3에서 적층된 전극 조립체의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(110)는 양극판(111), 음극판(112), 세퍼레이터(113), 양극탭(114) 및 음극탭(115)을 포함하여 형성된다. 즉, 상기 전극 조립체(110)는 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 세퍼레이터(113)가 게재되어 단순 아코디언 형상으로 적층되어 형성된다.
상기 양극판(111)은 박막의 금속으로 형성되는 양극집전체(111a)의 표면에 리튬산화물을 포함하는 양극활물질층(111b)이 소정두께로 코팅되어 이루어질 수 있다. 즉, 상기 양극판(111)은 알루미늄 포일 또는 메쉬(111a)에 리튬코발트산화물(예를 들면, LiCoO2)(111b)이 코팅되어 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 재질로 본 발명의 양극판(111)을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극판(111)의 양측에는 양극활물질층(111b)이 코팅되지 않는 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일측에는 상기 양극탭(114)이 전기적으로 연결되어 상기 전극 조립체(110)의 상부로 돌출된다.
상기 음극판(112)은 박막의 금속으로 형성되는 음극집전체(112a)의 표면에 음극활물질층(112b)이 소정두께로 코팅되어 이루어질 수 있다. 즉, 상기 음극판(112)은 구리포일(111a)에 그라파이트(graphite)(112b)가 결착되어 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 재질로 본 발명의 음극판(112)을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 음극판(112)의 양측에는 탄소를 포함하는 음극활물질층(112b)이 코팅되지 않는 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부의 일측에는 상기 음극탭(115)이 전기적으로 연결되어 상기 전극 조립체의 상부로 돌출된다. 한편, 상기 음극탭(115)은 소정위치에 음극탭(115)이 일정한 위치에서 절곡되도록 절곡가이드 역할을 하는 절곡부(미도시)가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 절곡부는 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 음극탭(115)이 절곡되는 위치에 형성된다. 통상적으로 상기 음극탭(115)은 0.1mm 정도의 박판 금속으로 형성되므로 강도가 약하게 된다. 따라서, 상기 절곡부에 의하여 상기 음극탭(115)의 강도가 저하되는 것을 최소화하는 것이 필요하며, 그 형상에 따라 적정한 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 양극탭(114) 및 음극탭(115)은, 후술하는 도 8을 참조하면, 파우치형 리튬이온 이차 전지(100)에서는 접속리드에 용접되어 보호회로기판에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 양극탭(114) 및 음극탭(115)은, 후술하는 도 9를 참조하면, 캔형 리튬이온 이차 전지(300)에서는 캡 조립체의 캡 플레이트와 터미널 플레이트에 용접에 의하여 전기적으로 연결된다.
상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)은 동일한 형상 및 크기로 형성되고, 서로 교대로 위치되어 각각의 상부면과 하부면에 형성된 세퍼레이터(113) 사이에 개재되어 있다.
상기 세퍼레이터(113)는 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 상하부면 상에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 한다. 이러한 세퍼레이터(113)는 PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene), 또는 PE(polyethylene)와 PP(polypropylene)의 복합필름으로 이루어진다.. 그러나, 이러한 재질로 본 발명의 세퍼레이터(113)를 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 세퍼레이터(113)는, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112) 사이의 영역에 융착부(116)가 형성되어 있다. 상기 융착부(116)는 상기 세퍼레이터(113)의 상하부면에 대하여 수직방향으로 열융착시키는 열융착수단에 의하여 형성된다. 여기서, 상기 융착부(116)의 폭(W)은 대략 12um로 형성될 수 있다. 또한, 상기 융착부(116)에는 가이드부(116a)가 형성되어 있다. 상기 가이드부(116a)는 복수 개의 홀이 소정간격으로 이격되어 형성되어 있다. 즉, 이러한 가이드부(116a)는 점선 형태의 복수 개의 홀이 형성되어 있다. 상기 가이드부(116a)는 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112)을 상기 세퍼레이터(113)로 교대로 적층하게 되는 경우에 얼라인(align)을 확보할 수 있게 한다.
이러한 전극 조립체(110)는 상기 융착부(116)의 가이드부(116a)를 기준으로 하여 접혀지게 되고, 접혀진 세퍼레이터(113)를 기준으로 상하에 각각 양극판(111)과 음극판(112)이 위치되어 적층형으로 형성된다. 또한, 상기 양극판(111)과 음극판(112)이 서로 적층되면 각각에 형성된 양극탭(114)과 음극탭(115)도 적층되게 된다. 즉, 상기 양극판(111)과 음극판(112)의 적층되는 개수만큼의 양극탭(114)과 음극탭(115)이 적층형성되어, 각각을 용접에 의하여 전기적으로 연결하게 된다.
또한, 상기 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 케이스에 수납된다. 상기 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate)와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다. 그러나, 상기 전해액은 앞서 말한 화합물 또는 물체의 상태에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명에서는 상기 전극 조립체(110)를 전해액과 함께 케이스에 수납되면, 상기 융착부(116)의 가이드부(116a)를 통하여 상기 전해액이 보다 용이하게 함습될 수 있게 된다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 조립과정을 도시한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 양극판(111)과 음극판(112)이 서로 교대로 배열된 상태에서 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112)의 상하부면에 세퍼레이터(113)를 부착하게 된다. 즉, 상기 세퍼레이터(113) 사이에 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112)이 서로 이격되어 교대로 개재되어 있다.
도 5b를 참조하면, 외부의 열융착수단(P1, P2)을 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112) 사이의 세퍼레이터(113)의 상부 및 하부에 각각 위치시키고, 상기 열융착수단(P1, P2)을 이용하여 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112) 사이의 세퍼레이터(113)를 열융착시킨다. 이렇게 열융착된 부위는 복수 개의 융착부(116)를 형성하게 된다. 한편, 상기 열융착수단(P1, P2)은 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112) 사이의 세퍼레이터(113)의 상부, 하부, 상부 및 하부 중 어느 하나의 부위에 위치시킬 수 있으므로, 이러한 위치를 본 발명에서 한정하는 것은 아니다.
도 5c를 참조하면, 외부의 홀형성수단(C1, C2)을 상기 융착부(116)의 상부 및 하부에 각각 위치시키고, 상기 홀형성수단(C1, C2)을 이용하여 상기 융착부(116)에 복수 개의 홀을 가지는 가이드 부(116a)를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 가이드 부(116a)는 점선 형태의 복수 개의 홀로 이루어져 있다. 한편, 상기 홀형성수단(C1, C2)은 상기 융착부(116)의 상부, 하부, 상부 및 하부 중 어느 하나의 부위에 위치시킬 수 있으므로, 이러한 위치를 본 발명에서 한정하는 것은 아니다.
도 5d를 참조하면, 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112) 사이에 상기 세퍼레이터(113)가 개재된 전극 조립체(110)가 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112)이 교대로 적층되도록 상기 가이드부(116a)를 기준으로 하여 접혀지게 된다. 즉, 도 5c 상태의 전극 조립체(110)를 수직방향 또는 수평방향으로 위치시킨 다음, 그 상부방향 또는 좌우측방향으로 가압하여 상기 가이드부(116a)의 복수 개의 홀을 기준으로 하여 상기 양극판(111)과 상기 음극판(112)이 교대로 적층되도록 접어 전극 조립체(110)를 형성하게 된다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 조립전의 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 Ⅱ­Ⅱ′선을 따라 절취한 전극 조립체의 단면도이다.
도 6a 내지 6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(210)는 양극판(211), 음극판(212), 세퍼레이터(213), 양극탭(214) 및 음극탭(215)을 포함하여 형성된다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(210)는 도 1 내지 도 5d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(110)에서의 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 배치 구조에 대한 변형예로서, 이하에서는 중복을 피하기 위하여 상기 배치 구조를 중심으로 하여 설명하기로 한다.
우선, 상기 세퍼레이터(213)는 제1 세퍼레이터(213a), 제2 세퍼레이터(213b) 및 제3 세퍼레이터(213c)를 포함한다. 상기 제1 세퍼레이터(213a) 및 제3 세퍼레이터(213c)는 완전 고체형 폴리머 또는 전해액이 함침된 겔형 폴리머로 이루어진다. 여기서, 상기 겔형 폴리머는 PEO(polyethylene oxide), PAN(polyacrylonitrile), PVDF(polyvinylidnefluoride) 등이 사용될 수 있고, 상기 겔형 폴리머 전해질은 PVDF(polyvinylidnefluoride)와 PHFP(polyhexafluoropropylene)의 공중합체[P(VdF-co-HFP)], PVDF(polyvinylidnefluoride)와 CTFE(chlorotrifluoroethylene)의 공중합체[P(VdF-co-CTFE)]] 등이 사용될 수 있다. 또한, 제2 세퍼레이터(213b)는 PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene), 또는 PE(polyethylene)와 PP(polypropylene)의 복합필름으로 이루어진다. 즉, 상기 세퍼레이터(213)는 상기 제1 세퍼레이터(213a), 상기 제2 세퍼레이터(213b) 및 제3 세퍼레이터(213c)가 상부방향으로 순서대로 배치되어 있다.
상기 양극판(211)은 다수 개로 구비되어, 상기 제1 세퍼레이터(213a)의 상면이고, 또한 상기 제2 세퍼레이터(213b)의 하면에 상기 양극판(211)의 폭보다 큰 간격으로 이격되어 배치되어 있다.
상기 음극판(212)은 다수 개로 구비되어, 상기 제3 세퍼레이터(213c)의 하면이고, 또한 상기 제2 세퍼레이터(213b)의 상면에 상기 음극판(212)의 폭보다 큰 간격으로 이격되어 배치되어 있다.
여기서, 상기 세퍼레이터(213)는 상기 양극판(211)과 음극판(212) 사이의 영역에 융착부(216)가 형성되어 있다. 상기 융착부(216)는 상기 세퍼레이터(213)의 상하부면에 대하여 수직방향으로 열융착시키는 열융착수단에 의하여 형성된다. 즉, 상기 융착부(216)는 상기 제3 세퍼레이터(213c)의 상부면과 상기 제1 세퍼레이터(213a)의 하부면에 대하여 수직방향으로 상기 열융착수단에 의하여 형성된다. 여기서, 상기 융착부(216)의 폭은 대략 12um로 형성될 수 있다. 또한, 상기 융착부(216)에는 가이드부(216a)가 형성되어 있다. 상기 가이드부(216a)는 복수 개의 홀이 소정간격으로 이격되어 형성되어 있다. 즉, 이러한 가이드부(216a)는 점선 형태의 복수 개의 홀이 형성되어 있다. 상기 가이드부(216a)는 상기 양극판(211)과 상기 음극판(212)을 상기 세퍼레이터(213)로 교대로 적층하게 되는 경우에 얼라인(align)을 확보할 수 있게 한다.
이러한 전극 조립체(210)는 상기 가이드부(216a)를 기준으로 하여 지그재그 형태로 절곡되어 상기 양극판(211)과 음극판(212)이 교대로 적층되도록 형성되게 된다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 조립과정을 도시한 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 우선 다수 개의 양극판(211)을 제1 세퍼레이터(213a)의 상면이고, 또한 제2 세퍼레이터(213b)의 하면에 상기 양극판(211)의 폭보다 큰 간격으로 이격되도록 배치한다. 그런 다음, 다수 개의 음극판(212)을 제3 세퍼레이터(213c)의 하면이고, 또한 상기 제2 세퍼레이터(213b)의 상면에 상기 음극판(212)의 폭보다 큰 간격으로 이격되도록 배치한다. 한편, 상기 제1 세퍼레이터(213a), 상기 제2 세퍼레이터(213b) 및 제3 세퍼레이터(213c)는 상기 양극판(211)과 음극판(212)의 상하부면에 히트 라미네이팅(heat laminating) 공정에 의하여 형성된다.
도 7b를 참조하면, 외부의 열융착수단(P1, P2)을 상기 양극판(211) 및 음극판(212) 사이의 제3 세퍼레이터(213c)의 상부 및 상기 제1 세퍼레이터(213a)의 하부에 각각 위치시키고, 상기 열융착수단(P1, P2)을 이용하여 상기 양극판(211) 및 음극판(212) 사이의 세퍼레이터(213)를 열융착(hot pressing)시킨다. 이렇게 열융착된 부위는 복수 개의 융착부(216)를 형성하게 된다. 한편, 상기 열융착수단(P1, P2)은 상기 양극판(211) 및 음극판(212) 사이의 상기 제3 세퍼레이터(213c)의 상부, 상기 제1 세퍼레이터(213a)의 하부, 상기 제3 세퍼레이터(213c)의 상부 및 제1 세퍼레이터(213a)의 하부 중 어느 하나의 부위에 위치시킬 수 있으므로, 이러한 위치를 본 발명에서 한정하는 것은 아니다.
도 7c를 참조하면, 외부의 홀형성수단(C1, C2)을 상기 융착부(216)의 상부 및 하부에 각각 위치시키고, 상기 홀형성수단(C1, C2)을 이용하여 상기 융착부(216)에 복수 개의 홀을 가지는 가이드 부(216a)를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 가이드 부(216a)는 점선 형태의 복수 개의 홀로 이루어져 있다. 한편, 상기 홀형성수단(C1, C2)은 상기 융착부(216)의 상부, 하부, 상부 및 하부 중 어느 하나의 부위에 위치시킬 수 있으므로, 이러한 위치를 본 발명에서 한정하는 것은 아니다.
도 7d를 참조하면, 상기 양극판(211)과 음극판(212) 사이에 상기 세퍼레이터(213)가 개재된 전극 조립체(210)가 상기 양극판(211)과 음극판(212)이 교대로 적층되도록 상기 가이드부(216a)를 기준으로 하여 접혀지게 된다. 즉, 도 7c 상태의 전극 조립체(210)를 수직방향 또는 수평방향으로 위치시킨 다음, 그 상하부방향(HL1, HL2) 또는 좌우측방향으로 가압하여 상기 가이드부(216a)의 복수 개의 홀을 기준으로 하여 상기 양극판(211)과 음극판(212)이 교대로 적층되도록 접어 전극 조립체(210)를 형성하게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(100)는, 파우치(120)가 가운데 부분이 절곡되어 전극 조립체(110)가 수용될 홈(121a)이 형성되는 하부 파우치(121)와 홈(121a)을 덮게 되는 상부 파우치(122)를 포함한다. 또한, 상기 홈(121a)은 프레스(press) 가공 등을 통하여 형성된다. 상기 홈(121a)의 측방에는 이차 전지의 화성공정에서 발생하는 가스를 제거하기 위한 가스방을 위하여 홈(미도시)가 더 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체(110)는, 도 1 내지 도 7d에 도시된 전극 조립체가 사용될 수 있다.
한편, 이러한 전극 조립체(110)를 형성할 때, 양극판(111)과 음극판(112)의 끝부분 무지부에는 양극탭(114) 및 음극탭(115)이 초음파 용접 등의 방법으로 부착되어 있다.
또한, 세퍼레이터(113)는 PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene), 또는 PE(polyethylene)와 PP(polypropylene)의 복합필름으로 이루어진다.. 본 발명에서는 상기 세퍼레이터(113)에 형성된 가이드부를 통하여 전해액 함침이 용이해지게 할 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터(113)는 상기 양극판(111) 및 음극판(112)의 단락을 막기 위해 상기 양극판(111) 및 음극판(112)보다 크게 형성된다.
상기 양극탭(114) 및 음극탭(115)이 상기 전극 조립체(110)와 겹치는 부분 및 상기 양극탭(114) 및 음극탭(115)이 파우치(120)의 용접부, 즉, 플랜지 부분과 겹치는 부분에는 수지 필름, 수지 테이프 등이 부착될 수 있다. 이들 부재는 금속으로 이루어진 탭과 접착성이 파우치(120)의 내층에 비해 우수한 열접착성 물질로 이루어진다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 캔형 이차 전지의 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캔형 이차 전지(300)는, 캔(301)과, 캔(301)의 내부에 수용되는 전극 조립체(310)와, 상기 캔(301)의 상단개구부(301a)를 밀봉하는 캡조립체(320)를 포함하여 형성된다.
상기 캔(301)은 대략 박스 형상을 가진 금속재로 형성되며, 그 일면이 개구된 상단개구부(301a)를 포함하며, 상단개구부(301a)를 통해 전극 조립체(310)가 수용된다.
상기 전극 조립체(310)는, 도 1 내지 도 7d에 도시된 전극 조립체가 사용될 수 있다.
양극판(311)에는 양극탭(314)이 용접되어 있으며, 양극탭(314)의 단부는 상기 전극 조립체(310)의 상방으로 돌출되어 있다. 음극판(312)에도 음극탭(315)이 용접되어 있으며, 음극탭(315)의 단부도 상기 전극 조립체(310)의 상방으로 돌출되어 있다.
또한, 세퍼레이터(313)는 PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene), 또는 PE(polyethylene)와 PP(polypropylene)의 복합필름으로 이루어진다. 본 발명에서는 상기 세퍼레이터(113)에 형성된 가이드부를 통하여 전해액 함침이 용이해지게 할 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터(313)는 상기 양극판(311) 및 음극판(312)의 단락을 막기 위해 상기 양극판(311) 및 음극판(312)보다 크게 형성된다.
상기 캡조립체(320)는 캡플레이트(340)와 절연플레이트(350)와 터미널플레이트(360)와 전극단자(330)를 포함하여 구성된다. 캡조립체(320)는 캔(301)의 상단개구부(301a)에 결합되어 캔(301)을 밀봉하게 된다.
상기 양극탭(314)은 상기 캡플레이트(340)에 용접되어 전기적으로 연결되며, 상기 음극탭(315)은 상기 터미널플레이트(360)에 용접되어 전기적으로 연결된다.
한편, 상기 전극 조립체(310)의 양극판(311)과 음극판(312) 및 양극탭(314)과 음극탭(315)은 기종에 따라 반대로 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 캡플레이트(340)는 상기 캔(301)의 상단개구부(301a)에 상응하는 크기와 형상의 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(340)의 중앙에는 소정 크기의 제1 단자통공(341)이 형성되며, 일측에는 전해액주입공(342)이 형성된다. 상기 제1 단자통공(341)에는 전극단자(330)가 삽입되며, 상기 제1 단자통공(341)의 내면에는 전극단자(330)와 캡플레이트(340)의 절연을 위하여 튜브형의 개스킷튜브(346)가 조립된다.
상기 캡조립체(320)가 상기 캔(301)의 상단개구부(301a)에 조립된 후, 전해액주입공(342)을 통하여 전해액이 주입되고, 전해액주입공(342)은 별도의 밀폐수단에 의하여 밀폐된다.
상기 절연플레이트(350)는 개스킷과 같은 절연물질로 형성되며, 하면에는 상기 터미널플레이트(360)가 안착되는 안착홈(352)이 형성된다. 상기 절연플레이트(350)의 일측에는 상기 제1 단자통공(341)에 대응되는 위치에 제2 단자통공(351)이 형성되며, 상기 전극단자(330)가 삽입된다.
상기 터미널플레이트(360)는 상기 절연플레이트(350)의 안착홈(352)에 결합된다. 상기 터미널플레이트(360)의 일측에는 상기 제1 단자통공(341)에 대응되는 위치에 일측에 제3 단자통공(361)이 형성되며 상기 전극단자(330)가 삽입된다.
상기 전극단자(330)는 상기 개스킷튜브(346)에 의하여 절연되면서 상기 제1 단자통공(341), 상기 제2 단자통공(351) 및 상기 제3 단자통공(361)을 통하여 삽입되어 터미널플레이트(360)와 결합된다. 따라서 상기 캡조립체(320)에서 상기 터미널플레이트(360)는 상기 캡플레이트(340)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(330)와 전기적으로 연결된다.
상기 절연케이스(370)는 양극탭홀(371)과 음극탭홀(372)을 포함하여 형성되며, 상기 캡조립체(320)의 하부에 결합되어 상기 캡조립체(320)와 전극 조립체(310)를 전기적으로 절연시키게 된다. 상기 양극탭(314)은 상기 양극탭홀(371)을 통과하여 상기 캡플레이트(340)에 용접된다. 또한 상기 음극탭(315)은 상기 음극탭홀(372)을 통하여 상기 터미널플레이트(360)에 용접된다. 이때, 상기 양극탭홀(371)과 음극탭홀(372)은 상기 양극탭(314) 및 음극탭(315)의 최하단에 끼워져 결합될 수 있는 크기로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 및 이를 갖는 이차 전지는, 양극과 음극을 둘러싸는 세퍼레이터 상에 융착부를 형성하여 지그재그 형태로 적층되는 전극 조립체를 포함함으로써, 양극과 음극의 크기를 달리하여 적층할 필요가 없고, 열적 안정성이 향상되며, 구조적으로 적층이 용이하다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
100, 300: 이차 전지 110, 210, 310: 전극 조립체
111, 211, 311: 양극판 111a, 211a: 양극집전체
111b, 211b: 양극활물질층 112, 212, 312: 음극판
112a, 212a: 음극집전체 112b, 212b: 음극활물질층
113, 213, 313: 세퍼레이터 114, 314: 양극탭
115, 315: 음극탭 116, 216: 융착부
116a, 216a: 가이드부 P1, P2, P1', P2': 열융착수단
C1, C2, C1', C2': 홀형성수단

Claims (17)

  1. 전극 조립체를 구비하는 이차전지에 있어서,
    상기 전극 조립체는,
    복수의 양극판 및 음극판을 구비하는 전극 조립체; 및
    제1 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판이 상기 제1 세퍼레이터 상에 서로 교번되도록 나란히 개재되고, 상기 제1 세퍼레이터는 지그재그 방식으로 가이드부에서 접혀지며,
    상기 가이드부는 상기 제1 세퍼레이터에 위치하고, 상기 양극판과 음극판 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    각각 교번하는 양극판 및 음극판 사이에서 상기 제1 세퍼레이터를 실링하고, 각각 교번하는 양극판 및 음극판 상호간을 분리하는 소정 폭의 융착부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 양극판 및 음극판의 반대측 상에 상기 제1 세퍼레이터의 반대측으로 배치되고, 상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판 상에 배치되는 제2 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 제1 및 제2 세퍼레이터의 적어도 하나를 관통하는 복수의 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 융착부 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 복수의 양극판으로부터 연장되는 양극탭; 및
    상기 각각의 복수의 음극판으로부터 연장되는 음극탭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 파우치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    제2 및 제3 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 복수의 양극판이 상기 제1 세퍼레이터 상에 배치되고, 상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 세퍼레이터 측의 반대편에서의 상기 복수의 양극판의 일측 상에 배치되며,
    상기 복수의 음극판이 상기 복수의 양극판으로부터 반대편 상에서의 상기 제2 세퍼레이터 상에 배치되고, 그리고
    상기 제3 세퍼레이터는 상기 복수의 양극판의 반대편 상에서의 상기 복수의 음극판 상에 배치되는 것을 특징으로 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극판 및 음극판 사이에 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터 중 적어도 어느 하나를 관통하도록 배치되는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제8항에 있어서,
    하나의 양극판 또는 음극판의 폭보다 더 큰 각각의 양극판 사이의 간격을 포함하고, 상기 복수의 음극판은 각각의 양극판 사이의 상기 간격에 인접되는 지점에 위치되며,
    상기 양극판 및 음극판은 서로 번갈아가며 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 교번하는 양극판 및 음극판 사이에서 상기 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터를 실링하고, 각각의 교번하는 양극판 및 음극판 상호간을 분리하는 소정폭의 융착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 양극판 및 음극판은 상기 교번하는 양극판 및 음극판의 스택을 형성하기 위하여 지그재그 방식으로 상기 가이드부에서 접혀지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터의 적어도 하나에 복수의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각각의 복수의 양극판으로부터 연장되는 양극탭; 및
    상기 각각의 복수의 음극판으로부터 연장되는 음극탭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 세퍼레이터는 겔 상태의 코팅층인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 전극 조립체를 조립하는 방법에 있어서,
    복수의 양극판 및 음극판을 상기 각각의 복수의 양극판 및 음극판 사이에 소정 폭의 융착부를 가지는 제1 세퍼레이터 상에 교번으로 위치시키는 단계;
    상기 제1 세퍼레이터의 반대편에서의 상기 복수의 양극판 및 음극판의 반대편 상에 배치되고, 그리고 상기 복수의 양극판 및 음극판의 각각의 양극판 및 음극판 상에 배치된 제2 세퍼레이터를 배치시키는 단계;
    상기 제1 및 제2 세퍼레이터를 상기 융착부의 지점에서 실링하는 단계;
    상기 융착부의 폭의 길이방향으로의 대략 중간 지점에서 상기 양극판 및 음극판 사이의 상기 제1 세퍼레이터 내부에 배치된 가이드부를 형성하는 단계; 및
    상기 교번의 양극판 및 음극판의 스택을 형성하기 위하여 상기 복수의 양극판 및 음극판을 지그재그 방식으로 상기 가이드부에서 접는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 조립방법.
  17. 복수의 양극판 및 음극판을 구비하는 전극 조립체를 조립하는 방법에 있어서,
    하나의 양극판 또는 음극판의 폭보다 큰, 인접하는 양극판 사이의 공간을 갖고, 소정 폭의 융착부를 갖는 제1 세퍼레이터 상으로 상기 복수의 양극판을 위치시키는 단계;
    상기 제1 세퍼레이터 측의 반대 편에서 상기 복수의 양극판의 일측 상에 배치된 제2 세퍼레이터를 배치하는 단계;
    상기 제2 세퍼레이터는 상기 공간 영역 내에서 상기 제1 세퍼레이터와 접촉되는,
    상기 복수의 음극판을 상기 복수의 양극판 측으로부터 반대편의, 각각의 음극판이 각각의 양극판 사이의 공간에 인접하는 지점에 위치되도록, 제2 세퍼레이터 상에 위치시키는 단계;
    제3 세퍼레이터를 상기 복수의 양극판 측으로부터 반대편에서의 상기 복수의 음극판 상에 배치하는 단계;
    상기 제1, 제2 및 제3 세퍼레이터를 상기 융착부의 지점에서 실링하는 단계;
    상기 융착부의 폭의 길이방향으로의 대략 중간지점에 배치된 가이드부를 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 양극판 및 음극판을 상기 교번의 양극판 및 음극판의 스택을 형성하기 위하여 지그재그 방식으로 상기 가이드부에서 접는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 조립방법.
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